红外遥控自动水龙头的设计方案及原理.docx
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红外遥控自动水龙头的设计方案及原理
安徽工贸职业技术学院
毕业论文设计
红外遥控自动水龙头的设计
设计方案及原理
学生姓名：
蒋光璐
专业：
电子信息工程技术
班级：
08电信
（2）班
学号：
2008240210
指导老师：
蒋玲玲
内容摘要
介绍了用红外发射与接收电路设计自动水龙头的原理及设计方案。
电路设计简单，使用方便，同时更利于节能，“节本降耗”是每个企业追求的目标。
传统的水龙头、卫生间供水等设施，使用起来不是特别方便，而且很浪费，在这个基础上，我响应了国家的号召“节本降耗”的精神，设计了自动供水电路，不但可以节约用水，而且还降低了公司内部成本，达到了“节本降耗”的目的。
红外式自动水龙头由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路，电磁阀，电源组成。
这是红外遥控的原理，红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射雕红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。
感应控制器由红外线发射、红外接收、单片机控制线路等构成。
当人体或物体在感应控制器前方时，发射出的红外线通过人体或物体反射，红外模块接收反射的红外线信号，经过单片机分析处理后，控制水龙头的开启，达到自动控制的目的。
220VAC经变压器T降压，变为9VAC，再由整流、滤波、稳压，得到9VDC供给控制电路工作。
自动水龙头接通电源，当手伸到水龙头下时，使水龙头放出自来水，洗涤完毕，手离开水龙头后，停止放水。
由于知识有限，在文章叙述中肯定有不恰当之处，希望各位老师多提出宝贵意见。
目录
第一章引言1
第二章系统的基本组成2
2.1红外水龙头的构成及传感器的控制2
2.2系统组成方框图2
第三章系统的工作原理3
3.1工作原理3
3.2红外线水龙头控制电路4
第四章单元电路的设计6
4.1+5V的稳压电源的设计6
4.2电路振荡器的设计7
4.3红外遥控电路的设计8
4.4电压放大电路的设计11
4.5音调译码器的设计12
4.6三端稳压器14
4.7元件选取15
第五章结论17
致谢语18
参考文献19
第一章引言
随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。
在其推动下现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
水资源是不可缺少的，没有水不管人或事物都不能存活。
节约用水是一种美德。
普通水龙头当然也是一种选择，但是如果人们有急事却忘了关水会使水一直流，从而会浪费很多水。
要是在干旱的地区就犹如他们的生命。
所以本设计一种看不会浪费水，专门为那些容易忘记关水的人使用。
本文设计一种以红外控制水龙头。
采用了反射式红外传感器，这种传感器的发射和接收是一体化的。
当人或事物靠近时，自动产生控制信号继电器动作，使电磁阀得电吸合放水的功能。
它可以运用到生活、工厂、餐厅等场所，而且大大地扩展了原先水龙头的功能。
研究红外自动水龙头及扩大其应用，有着非常现实的意义。
本设计满足了人们对物质的需求，又提高了科学性。
以适应当今品种多批量小的电子市场的需求，大大提高了产品的市场竞争力。
本设计可以广泛的应用在个大商场和一些公共设施处，非常符合国家的节能减排的政策，对于以后的发展很有信心，相信不久的将来，我们可以看到许多这样的设施，必将会占领整个市场，为以后的发展的趋向。
第二章系统的基本组成
2.1红外水龙头的构成及传感器的控制
水龙头采用了反射式红外传感器，红外线的发射和接收一般使用红外发光二极管和红外接收管来完成。
当物体靠近时，一部分红外光被发射到接收管。
反射式红外传感器（见图2-1）
红外水龙头控制过程是，当人或物体接近自动水龙头时，红外发射光电管发出的红外经人和物体反射到红外接收光电管。
接收光电管接收到的反射光信号自动转换为电信号，经过后续电路进一步放大、整形、译码，最后驱动控制电路打开水源。
经过一系列的信号使其正常工作。
2.2系统组成方框图
红外线自动控制水龙头整个控制过程分5个模块。
系统组成方框图（见图2-2）
第三章系统的工作原理
3.1工作原理
本例介绍的红外线控制自动水龙头
（二）由红外线发射器、红外线接收放大器和阀门开关控制器组成。
其电路原理图如图所示。
红外线发射器是由NE555电路组成的多谐振荡器，其振荡频率由R1,R2,Cl决定，约为1.4kHz。
由多谐振荡器产生的脉冲信号由3脚输出，通过红外线发射管SE303（VL）向外发射。
红外线接收放大器由红外线接收器PH302（VDL）和由晶体管VT1,VT2组成的电压放大器组成。
VTl与R7组成电压负反馈式放大器，由VT1放大后的信号通过C4祸合到VT2作进一步放大，输出后通过C5加至IC2的输人端3脚。
IC2作为电磁阀门的控制电路，它是由LM567音频译码器组成的。
在这里用作选频电路，将电压放大器输出的信号脉冲进行选频，以排除信号中的干扰脉冲，防止电路被误触发。
IC2的选频频率由RP将其调节至发射频率1.4kHz，当由VT2输出的脉冲频率与IC2的选频频率一致时，其输出端8输出低电平。
13组成继电器驱动电路，平时由于红外线接收器一直处于未被照射状态，IC2的8脚输出高电平，V玲处于截止状态，继电器处于释放状态，水阀门的电磁阀不通电，处于关闭状态。
当有人手伸至红外线控制器下方时，由于人手的反射，使PH302接收到红外发射管发出的红外线信号，经过VTIIVT2放大，IC2的选频，它的8脚输出低电平。
这一低电平通过R10加至VT3的基极使其导通，继电器K通电吸合，将电磁阀的电源接通，水阀门被打开。
元器件选择
ICl选用NE555时基集成电路；IC2选用NE567音频锁相环译码器集成电路。
VT1、VT2选用59013型硅NPN晶体管；VD选用59012或C8550型硅PNP晶体管。
其他元器件均无特殊要求，可按图所标型号及参数进行选用。
3.2红外线水龙头控制电路
电路图
红外自动水龙头采用锁相环单音检测电路LM567构成自发射自接收的闭环控制形式。
就是说，把LM567产生的方波电信号调制在红外线光信号上并发射出去，红外线光敏二极管接收该信号，并把其变为电信号，经放大，又被该LM567自身检测。
这样，LM567自身的振荡频率与要接收的信号频率永远相同，即使由于某种原因使LM567的振荡频率发生了变化。
在一定的频带宽度内，由于LM567只对与自身振荡频率非常接近的信号产生响应，而对其他频率的干扰信号不响应，所以，该装置具有可靠性高、抗干扰性强、安装调试简单的特点。
这种水龙头只需将手或其他物品放入水龙头下，水龙头就会自动放出自来水供使用者洗手或洗涤其它物品。
这种水龙头特别适合酒店、宾馆、医院等公共场所使用，能有效防止手上细菌的交叉传染，如果这种水龙头用于家庭，可使家庭的卫生设施实现自动化，省去了洗手时要拧开水龙头的麻烦。
水龙头正工作于放水状态。
洗涤完毕，手离开水龙头后停止。
第四章单元电路的设计
4.1+5V的稳压电源的设计
如图所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。
它由电源变压器B，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便地搭成的。
220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。
此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。
本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
由此设计出所需要的+5V的稳压电源
4.2电路振荡器的设计
振荡电路是一种不需要外接输入信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路。
用555时基电路可组成各种形式的自激式多谐振荡器，其基本电路如图a所示。
当电路刚接通电源时，由于C来不及充电，555电路的②脚处于零电平，导致其输出③脚为高电平。
当电源通过RA、RB向C充电到Vc≥Vcc时，输出端③脚由高电路平变为低电平，电容C经RB和内部电路的放电开关管放电。
当放电到Vc≤Vcc时，输出端又由低电平转变为高电平。
此时电容再次充电，这种过程可周而复始地进行下去，形成自激振荡。
图（b）给出了输出端及电容器C上电压的波行
由于555内部比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这是振荡频率受电源的温度变化的影响较小。
股只需通过调节R1的阻值来改变f来使其为1Hz的秒脉冲信号，作为闸门信号。
555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。
外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等，应用十分广泛。
4.3红外遥控电路的设计
红外线控制水龙头有两个特点，一是当有人走近它时，延时2－3s自动开启，当人离开时水龙头自动关闭；二是在夜间它有灯光控制功能，当有人走近时，它首先打开照明灯，然后开启水龙头，当人离开后照明灯会延时数十秒后自动关闭。
它完全符合人工操作程序，使用十分方便。
在一些公共场所，
例如医院、厕所、饭店等处所使用可取得卫生、节电和节水的效果。
工作原理
采用CX20106红外线控制水龙头电路由红外发射器、红外接收器、水阀门控制器和照明灯控制器组成，如图所
示。
该电路采用红外线反射式传感的控制方式，红外发射器与接收器组装在同一电路内并且安装在同一平面。
红外线发射器是一个由555时基集成电路组成的多谐振荡器，其振荡频率由RPl,R1与C1的数值决定，该电路的振荡频率为38kΩ。
由多谐振荡器产生的方波脉冲通过限流电阻器R2驱动红外线发射管向外发送红外线。
外接收电路由红外线接收管VDL和CX20106组成。
红外线发射管发出的红外线脉冲信号，经过人体反射被红外线接收二极管VDL接收，然后输人CX20106，经电路内解调处理后由7脚输出低电平。
阀门控制电路由控制门D1、D2、驱动晶体管VT1和继电器K1组成。
当IC2的7脚输出低电平时，经反相器D1反相后变为高电平输出。
这一高电平经R7向C6充电，待C6充电至其正端电压升高达D2的阂值电压后，D2反相输出变为低电平。
这一低电平经R8使VT1导通，继电器K1通电吸合，接通电磁阀YV的电源，水阀门打开。
在该电路中，电容器C6起延时作用，防止因干扰造成阀门误开。
这里延时时间设定为2一3s。
当IC2的7脚恢复高电平后，D1的输出端恢复低电平，C6经VD1放电，使D2的输人端变为低电平，它的输出端变为高电平，VT1截止，继电器K1断电后释放，将水阀门的电源切断，水阀门关闭。
照明灯控制电路由控制门D3、D4、驱动晶体管VT2和继电器K2组成。
当IC2的7脚输出低电平时，经D1反相变为高电平。
这一高电平通过由R9、RP2与光敏电阻器RL组成的分压器的分压，使D3的输人端变为高电平（在夜间高于D3的阂值电压），D3的输出端变为低电平。
这时，电容器C7经VD3放电，使D4的输人端变为低电平，D4的输出端变为高电平。
这一高电平通过RT1使VT2导通，继电器K2通电吸合，将照明灯电源接通，照明灯EL点亮。
当IC2的7脚输出高电平时，经D1反相变为低电平，D3的输人端仍为低电平，经D3反相后变为高电平。
这一高电平经R10向C7充电，当C7充电使其正端电压上升至D4的阑值电压后，D4反相输出低电平，VT2截止，继电器K2断电释放，将照明灯电源切断，照明灯熄灭。
电容器C7的充电需要一定的时间（与R10、C7的时间常数有关），这里设定为2一3min，这就使人离开后延时2－3min电灯才熄灭。
由于照明灯只在夜晚或光线较暗时才使用，因此照明灯控制电路就必须具有在白天停止工作，只在夜间或光线较暗时才工作的控制功能。
这种控制功能是通过设在电路中的光敏电阻器班来实现的。
由于光敏电阻值在白天的电阻值（亮阻）远小于夜晚时的电阻值（暗阻），通过R9、RP2与RL的分压，使D3的输人端在白天不可能达到D3的阑值电压，它后面的电路一直保持静止状态，继电器K2不会吸合，照明灯也不会亮起来。
元器件选择
发射电路IC1选用NE555或LM555时基集成电路均可；IC2选用CX20106型红外线接收专用集成电路D1一D4选用CD4069型六反相器。
VT1选用9012或3CG12型硅PNP中功率晶体管，要求电流放大系数β＞100;
VT2选用9013、3DG12或3DK4型硅NPN中功率晶体管，要求电流放大系数β＞100。
VL选用SE303型二极管，VDL选用PH302型二极管。
RL要求选用亮阻不大于5ka，暗阻不小于IMn的光敏电阻器，如MG44-03、MG45-13等型号。
K1、K2可用工作电压9一12V的JZC-22F小型中功率电磁继电器。
其他元器件均无特殊要求，可按图所标型号及参数进行选择。
4.4电压放大电路的设计
电压放大电路采用LM741集成运算放大器。
LM741是高性能内补偿运算放大器，功耗低，无需外部频率补偿，具有短路保护和失调电压调零能力。
LM741的管脚功能是：
1脚为调零端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，4脚为负电源端，5脚为调零端，6脚为输出端，7脚为正电源端，8脚为空脚端。
LM741集成运放大器
内部原理图
4.5音调译码器的设计
567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。
用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。
主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。
如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。
用外接电阻20比1频率范围
逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力。
可调带宽从0%至14%
宽信号输出与噪声的高抑制
对假信号抗干扰
高稳定的中心频率
中心频率调节从0.01Hz到500kHz
电源电压5V--15V，推荐使用8V。
应用举例：
输入端接104电容，输出端接上拉电阻10K，C1、C2为1uF。
R1、C1决定振荡频率，一般C1为104电容，R1为10K--200K。
电源电压为8V。
IC1是LM567。
LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。
其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。
其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：
电容值越大，环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。
⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：
当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。
4.6三端稳压器
三端稳压器是一种标准化，系列化的通用线性的稳压电源集成电路，以其体积小成本低性能好，工作可靠性高等特点，成为目前稳压电源中应用最广泛的一种单片式集成稳压器件。
三端稳压器的工作原理如下：
有图可见，它与一般分立元件组成的串联式的稳压电路基本相识的。
不同的是增加了启动电路，保护电路和恒流源。
启动电路是为恒流源建立工作点而设置的，恒流源设置在基准电压形成和误差放大器电路中，是为了使稳压器能够在比较大的电压变化范围内正常可靠的工作。
在芯片内设置了两种较为完善的保护电路：
一是过流保护，一是过热保护（是过流保护的取样电阻）。
Ri，Rb为输出采样电阻。
Rb两端上的电压（反映输出电压的大小的采样电压）与基准电压在误差放大器中进行比较和放大，产生误差电压，去控制调整管的工作状态，从而稳定输出电压。
三端集成稳压器与分立元件组成的稳压器相比，具有体积小、性能高、工作可靠及使用方便等优点，适合在各种电子设备中作为电压稳定器。
三端集成稳压器的种类主要有三端固定式稳压器和三端可调式稳压器两种
三端集成稳压器大多采用串联稳压方式。
从方框图中可以看出，它由启动电路、基准电路、误差放大器、调整管、取样电阻及保护电路等组成。
它与分立元件的串联调整稳压器电路工作原理完全相同。
4.7元件选取
序号
名称
符号
型号与规格
件数
1
电容
C0
0.1μF
1个
2
电容
C1
0.22μF
1个
3
电容
C2
0.1μF
1个
4
电容
C3
0.01μF
1个
5
电容
C4
2.2μF
1个
6
电容
C5
1.0μF
1个
7
电容
C6
47μF
1个
8
电阻
R0
9.1K
1个
9
电阻
R1
13K
1个
10
电阻
R2
6.2K
1个
11
电阻
R3
100K
1个
12
电阻
R4
1K
1个
13
电阻
R5
100K
1个
14
电阻
R6
12K
1个
15
电阻
R7
1K
1个
16
电阻
R8
10K
个
17
晶体三极管
VT2
9013
个
18
发光二极管
LED
3个
19
集成电路
CX20106
1个
20
芯片
LM567
1个
21
集成运算放大器
LM741
1个
第五章结论
通过这次对红外控制水龙头的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于水龙头的原理与设计理念。
通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
除了学会了许多专业知识外，在遇到困难时，积极地去请教我的指导老师，在通过看现有的教材或去图书馆查阅资料、去网上搜索相关信息，直至把每一个细节，每一个原理都搞清楚弄明白为止，大大增强了我是自学能力和独立思考能力。
更重要的是，我拓展了思路，开阔了视野，活跃了思想。
此次论文使我对相关知识有了更深的理解，让我认识到了理论知识对工作实践的重要的重大意义，学会理论联系实际。
毕业论文要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切由教材和老师的安排。
因此，它给了我更大的发挥空间。
让我们发挥主观能动性独立的查资料，找数据，设计实验方案，并将理论知识应用到实践中去。
同时，通过这次设计提高了我们的人生问题、分析问题、解决问题的能力。
更重要的是，该设计需要我们发挥合作精神，不是我一个人的作品，是很多人的思想的结晶。
此次毕业设计我选做的是红外自动控制水龙头的设计，红外线水龙头控制电路包括发射电路和接收译码控制电路。
其中发射电路由多谐振荡器和红外发射二极管，接收电路包括红外接收管D1和D2，运算放大器（LM741），音频译码器（LM567），继电器K，电源电路等组成。
毕业论文设计是对学生学业水平的研究能力的综合检验，是学生运用自己所具备的知识和能力去分析问题，解决问题，进行理论与实际相结合的一次重要的训练，需要学生自己动手、动脑、是对写作能力，认识能力，创造性，理论修养和综合素质的一种磨练。
总之，这次设计既是对我们课程知识的考核，也是对我们思考问题、解决问题能力的考核，更是对我们人格品德的考验，设计让我们受益匪浅。
致谢语
在本次论文设计过程中，蒋玲玲老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。
在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。
这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。
在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
无论我的设计是否能够真的投入使用，这里面每一个控件的绘制，每一行语句的调试，每一段文本的输入之中都有我辛勤的汗水。
半年的设计时间虽然短暂，我却从中学到了很多的东西。
我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友和亲人。
特别感谢我的导师蒋玲玲，半年来他在学习、科研上一直对我悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我创造了很多锻炼提高的机会。
蒋老师洞察全局、高屋建瓴，为我的论文的顺利完成指出了很好的方向，蒋老师渊博的知识、宽广无私的胸怀、夜以继日的工作态度、对事业的执著追求、诲人不倦的教师风范和对问题的敏锐观察力，都将使我毕生受益。
在此我谨向我的导师以及在毕业设计过程中给予我很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意！
行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。
离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。
感谢安徽工贸职业技术学院三年来对我的辛苦培育，让我在大学这三年来学到很东西，特别感谢电子工程系为我提供了良好的学习环境、感谢领导、老师们三年来对我无微不至的关怀和指导，让我得以在这三年中学到很多有用的知识。
在此，我还要感谢在班里同学和朋友，感谢你们在我遇到困难的时候帮助我，给我支持和鼓励，感谢你们。
最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。
参考文献
1.金发庆《传感器技术应用》[M]机械工业出版社2006
2.沈任元，吴勇《数字电子技术基础》[M]机械工业出版社2007
3.詹林《单片机原理与应用》[M]西北工业大学出版社2008
4.周亚军《电气控制与PLC原理及应用》[M]西安电子科技大学出版社2008
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